JP3663782B2

JP3663782B2 - 電動パワ−ステアリング装置の制御装置

Info

Publication number: JP3663782B2
Application number: JP28287596A
Authority: JP
Inventors: 修司遠藤; 秀行小林
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 1996-10-07
Filing date: 1996-10-07
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2016-10-07
Also published as: JPH10109656A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動パワ−ステアリング装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用の電動パワ−ステアリング装置は、操向ハンドルの操作によりステアリングシヤフトに発生する操舵トルクと車速を検出し、その検出信号をマイクロコンピユ−タで構成される電子制御回路に入力して操舵補助力を発生するモ−タの制御目標値である操舵補助指令値を算出し、算出された操舵補助指令値に基づいて半導体素子をＨブリツジに接続したモ−タ駆動回路における半導体素子の駆動時間を定めるＰＷＭ信号（パルス幅信号）のデユ−テイ比を決定し、決定されたデユ−テイ比によりモ−タ駆動回路を制御してモ−タを駆動するものがある。
【０００３】
また、マイクロコンピユ−タで演算されたデジタルデ−タである操舵補助指令値をＡ／Ｄ変換器でアナログデ−タに変換し、変換されたアナログデ−タによりモ−タ駆動回路を制御してモ−タを駆動するものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような構成の制御回路は８ビツト信号を処理する低分解能回路が一般的であり、マイクロコンピユ−タでの演算結果は１６ビツト信号であつても、ＰＷＭ信号処理回路やＡ／Ｄ変換回路が８ビツト信号を処理する低分解能回路では、分解能以下の信号を処理するときに出力値として０を出力するか１を出力するか決定できないため、約１ビツトの分解能で出力信号が振動する。これをリミツトサイクル振動という。
【０００５】
このような振動は、操舵補助指令値に振動成分が含まれることになり、操舵の際に不快な振動として感じられ、商品性能を低下させることになり好ましくない。この発明は、このような、ＰＷＭ信号処理回路やＡ／Ｄ変換回路の分解能不足が原因で発生するリミツトサイクル振動を低減し、操舵感覚を改善することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明は上記課題を解決するもので、少なくともステアリングシヤフトに発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記演算された操舵補助指令値に基づいてモ−タを制御するモ−タ制御手段を備え、操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与える電動パワ−ステアリング装置の制御装置において、前記操舵補助指令値演算手段は前記モ−タ制御手段よりもビツト数の多いデジタル演算手段から構成され、所定時間毎にサンプリングされた操舵トルクデ−タに基づいて操舵補助指令値を演算して前記モ−タ制御手段に出力すると共に、その際切り捨てられた操舵補助指令値の下位ビツトデ−タを次回にサンプリングされた操舵トルクデ−タに加算して操舵補助指令値を演算することを特徴とする。
【０００７】
そして、前記操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与えるモ−タの電気的時定数は、少なくとも操舵トルクのサンプリング期間の１／２πとする。また、前記操舵補助指令値はモ−タ電流指令値でよい。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の特徴と実施の形態を説明する。操舵補助指令値は操舵トルク、車速その他のパラメ−タを所定の演算式に基づいて演算して得られるものであるが、このような操舵補助指令値を８ビツトの有限語長で演算するときは掛け算を含むために演算結果は１６ビツトで出力される。しかしながら、演算された操舵補助指令値を入力とするＰＷＭ信号処理回路（或いはＡ／Ｄ変換回路）は８ビツトデ−タを入力とするように構成されているのが一般的であるから、前記１６ビツトで出力される演算結果の上位８ビツトのみがＰＷＭ信号処理回路に出力され、下位８ビツトデ−タは切り捨てられる。これが量子化誤差となる。
【０００９】
そこで、この切り捨てられた下位８ビツトデ−タを次のサンプリング期間に検出された操舵トルクデ−タに加算して操舵補助指令値を演算することで、下位８ビツトデ−タの切り捨てによる量子化誤差を低減するようにした。
【００１０】
図１は、量子化誤差の低減回路１００を伝達関数で表したもので、１０１は操舵トルクに対応する操舵補助指令値を演算する演算要素、１０２は加算要素、１０３は１６ビツトデ−タの下位８ビツトデ−タを切り捨てる演算要素、１０４は演算要素１０３で切り捨てられた下位８ビツトデ−タを一時記憶する記憶要素、１０５はゲイン調整要素である。
【００１１】
なお、１１０は演算要素１０３から出力される操舵補助指令値Ｉに基づいてＰＷＭ信号を作成するＰＷＭ信号処理回路、１１１はＰＷＭ信号によりモ−タを駆動制御するモ−タ制御回路で、半導体素子をＨブリツジに接続した回路である。１１２はモ−タで、その電気的特性を伝達関数で示せば｛１／（Ｌｓ＋Ｒ）｝で表される。ここで、Ｌはモ−タのインダクタンス、ｓはラプラス演算子、Ｒはモ−タの端子間抵抗である。
【００１２】
量子化誤差の低減回路の動作を説明する。検出された操舵トルクＴは８ビツトデ−タとして演算要素１０１に入力され、操舵補助指令値が演算されて１６ビツトの操舵補助指令値Ｉが出力される。出力デ−タは加算要素１０２を経て演算要素１０３に入力され、下位８ビツトデ−タが切り捨てられ、上位８ビツトデ−タがＰＷＭ信号処理回路１１０に出力される。一方、切り捨てられた下位８ビツトデ−タ（量子化誤差）δは記憶要素１０４に一時記憶され、ゲイン調整要素１０５でゲインを調整した上で、次のサンプリング期間に読み出されて加算要素１０２に１サンプル期間遅れのデ−タとして出力され、次のサンプリング期間に抽出された操舵トルクに加算され、操舵補助指令値Ｉが演算される。
【００１３】
このように、逐次切り捨てられた下位８ビツトデ−タ（量子化誤差）δは次のサンプリング期間に抽出された操舵トルクに基づく操舵補助指令値Ｉにフイ−ドバツクされて加算されるから、下位８ビツトデ−タの切り捨てによる量子化誤差を低減することができる。
【００１４】
先に説明した図１に示す量子化誤差の低減回路は、図２に示すように、量子化誤差の発生から加算器１０２の出力までの伝達特性がハイパスフイルタの特性を持つように設定される。ハイパスフイルタとしての効果が高いのは、伝達特性が（１−Ｚ^-1）ⁿになるときで、値 nが大きくなるに従いハイパスフイルタ効果が大きく作用するようになるが、モ−タの電気的特性から n＝１が好ましい。
【００１５】
ここで、量子化誤差について説明する。量子化誤差δは白色雑音とみなすことができるため、出力である操舵補助指令値Ｉから独立したデ−タとして扱うことができる。操舵トルクとモ−タ電流とは比例関係にあるから、量子化誤差の影響は、モ−タ電流に与える影響として評価することができるから、以下の式（１）関係が成立する。
【００１６】

ここで、Ｒ：モ−タの端子間抵抗
Ｍ（ｓ）：１／Ｌｓ＋Ｒ
Ｌ：モ−タのインダクタンス
ｓ：ラプラス演算子
Ｇ（ｓ）：量子化誤差の低減回路の伝達特性（１−Ｚ^-1）ⁿを連続時間系に変換した伝達関数
｜〜｜_∞：ゲイン最大値を示すものとする。
【００１７】
上記した式（１）の関係が成立するためにはモ−タの電気的時定数を前記ハイパスフイルタのクロスオ−バ−周波数ωc 以下に設定すればよい。即ち、モ−タの電気的時定数をナイキスト周波数ωN の１／π以下、或いはサンプリング期間Ｔs の１／２π以下に設定すればよい。何故ならば、サンプリング期間Ｔs とナイキスト周波数ωN との間には、ωN ＝１／２Ｔs の関係があるからである。
【００１８】
以上説明したとおり、図１に示す量子化誤差の低減回路は、量子化誤差の発生から加算器１０２の出力までの伝達特性がハイパスフイルタの特性を持つように設定されており、量子化誤差信号はハイパスフイルタを通過した出力となるから、ある周波数以上に量子化誤差が分布することになる。この対策としては、量子化誤差低減回路の出力側にロ−パスフイルタを挿入することで、ある周波数以上に分布する量子化誤差の影響を排除することができる。
【００１９】
実際の回路においては、操舵補助力を発生させるモ−タの電気的特性は図３に示すような特性を有しておりロ−パスフイルタとして機能するので、特別な回路部品としてロ−パスフイルタを必要とするものではなく、モ−タの電気的時定数を少なくとも操舵トルクのサンプリング周波数の１／２πとするとよい。
【００２０】
このように、量子化誤差低減回路の出力側にロ−パスフイルタを挿入すると、全体としての伝達特性は図４に示すような特性となり、全周波数範囲においてゲインが１／Ｒ（Ｒはモ−タの端子間抵抗）以下となり、量子化誤差を低減することができる。なお、以上説明した量子化誤差低減回路は、具体的な回路素子から構成された低減回路が制御回路に設けられているわけではなく、制御回路を構成するＣＰＵの内部で実行される機能である。
【００２１】
【実施例】
以下、この発明の実施例について説明する。図５は、この発明を実施するに適した電動パワ−ステアリング装置の構成の概略を説明する図で、操向ハンドル１の軸２は減速ギア４、ユニバ−サルジョイント５ａ、５ｂ、ピニオンラツク機構７を経て操向車輪のタイロツド８に結合されている。軸２には操向ハンドル１の操舵トルクを検出するトルクセンサ３が設けられており、また、操舵力を補助するモ−タ１０がクラツチ９、減速ギア４を介して軸２に結合している。
【００２２】
パワ−ステアリング装置を制御する電子制御回路１３は、バツテリ１４からイグニツシヨンキ−１１を経て電力が供給される。電子制御回路１３は、トルクセンサ３で検出された操舵トルクと車速センサ１２で検出された車速に基づいて操舵補助指令値の演算を行い、演算された操舵補助指令値に基づいてモ−タ１０に供給する電流を制御する。
【００２３】
クラツチ９は電子制御回路１３により制御される。クラツチ９は通常の動作状態では結合しており、電子制御回路１３によりパワ−ステアリング装置の故障と判断された時、及び電源がＯＦＦとなつている時に切離される。
【００２４】
図６は、電子制御回路１３のブロツク図である。この実施例では電子制御回路１３は主としてＣＰＵから構成されるが、ここではそのＣＰＵ内部においてプログラムで実行される機能を示してある。例えば、位相補償器２１は独立したハ−ドウエアとしての位相補償器２１を示すものではなく、ＣＰＵで実行される位相補償機能を示す。
【００２５】
以下、電子制御回路１３の機能と動作を説明する。トルクセンサ３から入力された操舵トルク信号は、位相補償器２１で操舵系の安定を高めるために位相補償され、操舵補助指令値演算器２２に入力される。また、車速センサ１２で検出された車速も操舵補助指令値演算器２２に入力される。
【００２６】
操舵補助指令値演算器２２は、入力されたトルク信号と車速信号に基づいて、モ−タ１０に供給する電流の制御目標値である操舵補助指令値Ｉを決定するものである。
【００２７】
比較器２３、微分補償器２４、比例演算器２５、積分演算器２６及び加算器２７から構成される回路は、実際のモ−タ電流値ｉが操舵補助指令値Ｉに一致するようにフイ−ドバツク制御を行う回路である。
【００２８】
比例演算器２５では、操舵補助指令値Ｉと実際のモ−タ電流値ｉとの差に比例した比例値が出力される。さらに比例演算器２５の出力信号はフイ−ドバツク系の特性を改善するため積分演算器２６において積分され、差の積分値の比例値が出力される。
【００２９】
微分補償器２４では、操舵補助指令値演算器２２で演算された操舵補助指令値Ｉに対する実際にモ−タに流れるモ−タ電流値ｉの応答速度を高めるため、操舵補助指令値Ｉの微分値が出力される。
【００３０】
微分補償器２４から出力された操舵補助指令値Ｉの微分値、比例演算器２５から出力された操舵補助指令値と実際のモ−タ電流値との差に比例した比例値、及び積分演算器２６から出力された積分値は、加算器２７において加算演算され、演算結果であるモ−タ電流を制御する電流制御値Ｅがモ−タ駆動回路４１に出力される。
【００３１】
図７にモ−タ駆動回路４１の構成の一例を示す。モ−タ駆動回路４１は加算器２７から入力された電流制御値ＥをＰＷＭ信号と電流方向信号とに分離変換する変換部４４、ＦＥＴ1 〜ＦＥＴ4 、及びそれ等ＦＥＴ1 〜ＦＥＴ4 のゲ−トを開閉駆動するＦＥＴゲ−ト駆動回路４５等からなる。なお、昇圧電源４６はＦＥＴ1 、ＦＥＴ2 のハイサイド側を駆動する電源である。
【００３２】
なお、先に図１により説明した量子化誤差低減回路１００では、操舵補助指令値Ｉから直接ＰＷＭ信号を演算するように説明したが、実施例ではフイ−ドバツク系の特性を改善する回路要素が加わり、操舵補助指令値Ｉから電流制御値Ｅを得、電流制御値Ｅを変換部４４でＰＷＭ信号に変換演算している。前記した量子化誤差低減回路１００は電流制御値Ｅ（１６ビツト信号）を入力とする変換部４４において、１６ビツト信号から８ビツトのＰＷＭ信号に変換する過程に介装されるものである。
【００３３】
なお、以下の説明では、電流制御値ＥからＰＷＭ信号を得るものとし、その過程で量子化誤差の低減処理を行うものとして説明するが、操舵補助指令値ＩからＰＷＭ信号を得る過程で、即ち操舵補助指令値ＩにＰＷＭ信号を得る過程で切捨てた下位８ビツトデ−タを加算し、量子化誤差の低減処理を行うようにしてもよい。
【００３４】
ＰＷＭ信号（パルス幅変調信号）は、Ｈブリツジ接続されたＦＥＴ（電界効果トランジスタ）スイツチング素子ＦＥＴ1 〜ＦＥＴ2 のゲ−トを駆動する信号で、加算器２７において演算された電流制御値Ｅの絶対値によりＰＷＭ信号のデユ−テイ比（ＦＥＴのゲ−トをＯＮ／ＯＦＦする時間比）が決定される。
【００３５】
電流方向信号は、モ−タに供給する電流の方向を指示する信号で、加算器２７で演算された電流制御値Ｅの符号（正負）により決定される信号である。
【００３６】
ＦＥＴ1 とＦＥＴ2 は前記したＰＷＭ信号のデユ−テイ比に基づいてゲ−トがＯＮ／ＯＦＦされるスイツチング素子で、モ−タに流れる電流の大きさを制御するためのスイツチング素子である。また、ＦＥＴ3 とＦＥＴ4 は前記した電流方向信号に基づいてゲ−トがＯＮ或いはＯＦＦされる（一方がＯＮの時、他方はＯＦＦとなる）スイツチング素子で、モ−タに流れる電流の方向、即ちモ−タの回転方向を切り換えるスイツチング素子である。
【００３７】
ＦＥＴ4 が導通状態にあるときは、電流はＦＥＴ1 、モ−タ１０、ＦＥＴ4 、抵抗Ｒ1 を経て電流が流れ、モ−タ１０に正方向の電流が流れる。ＦＥＴ3 が導通状態にあるときは、電流はＦＥＴ2 、モ−タ１０、ＦＥＴ3 、抵抗Ｒ2 を経て電流が流れ、モ−タ１０に負方向の電流が流れる。
【００３８】
モ−タ電流検出回路４２は、抵抗Ｒ1 の両端における電圧降下に基づいて、正方向電流の大きさを検出し、また、抵抗Ｒ2 の両端における電圧降下に基づいて、負方向電流の大きさを検出する。検出された実際のモ−タ電流値ｉは、比較器２３にフイ−ドバツクして入力される（図６参照）。
【００３９】
次に、電流制御値ＥからＰＷＭ信号を得るときの量子化誤差の低減処理、即ち、演算された１６ビツトデ−タから上位８ビツトデ−タを抽出してＰＷＭ信号を得るときの量子化誤差の低減処理について、図８のフロ−チヤ−トに基づいて説明する。
【００４０】
まず、操舵トルクのサンプリングを行い操舵トルクＴを検出し、モ−タ電流を制御する電流制御値Ｅを演算する（ステツプＰ１）。これは所定の時間間隔でトルクセンサ３からの出力を取り出し、演算することで達成できる。次に、前回の操舵トルクＴに基づく電流制御値ＥからＰＷＭ信号を得る演算の過程において切捨てた下位８ビツトデ−タδ（初回はδは零）をメモリから読み出し、サンプリングされた操舵トルクＴに基づく電流制御値Ｅに加算する（ステツプＰ２）。
【００４１】
切捨てた下位８ビツトデ−タδを加えて電流制御値Ｅを再度演算する。１６ビツトの演算結果が得られるが、その上位８ビツトデ−タをＰＷＭ信号として出力し（ステツプＰ３）、また、切捨てた下位８ビツトデ−タを新たな下位８ビツトのデ−タδとしてメモリに保存する（ステツプＰ４）。
【００４２】
次の操舵トルクのサンプリングにより入力された電流制御値Ｅに切捨てた下位８ビツトデ−タを加えての再演算のため、ステツプＰ１に戻る。
【００４３】
以上説明した実施例では、電子制御回路が８ビツトのＣＰＵで構成され、電流制御値Ｅの演算においては、演算の過程で得られる１６ビツトデ−タの上位８ビツトデ−タがＰＷＭ信号として出力され、下位８ビツトデ−タを誤差として次回の演算に加算されると説明した。
【００４４】
しかし、これは電子制御回路が８ビツトのＣＰＵで構成されるものとしての説明であり、電子制御回路が８ビツト以外のＣＰＵで構成された場合においても、同様に上位ビツトデ−タをＰＷＭ信号として出力するときは下位ビツトデ−タが誤差となる。このような誤差を次回の演算に加算処理する本願発明の処理手法は、デジタル演算に基づく量子化誤差を少なくする手法として、８ビツト以外のＣＰＵによるデ−タ処理にも適用できることは改めていうまでもない。
【００４５】
また、以上説明した量子化誤差の処理では、上位ビツトデ−タをＰＷＭ信号として出力するとき下位ビツトデ−タを切り捨てているが、下位ビツトデ−タの最上位桁を四捨五入するなどして上位ビツトデ−タに含める処理をしてもよい。この場合も下位ビツトデ−タは、次の操舵トルクのサンプリングによる電流制御値Ｅの再演算の過程において加算して処理する。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したとおり、この発明の電動パワ−ステアリング装置の制御装置では、制御装置を構成するマイクロコンピユ−タでの演算結果は１６ビツト信号であつて、ＰＷＭ信号処理回路やＡ／Ｄ変換回路が８ビツト信号を処理する低分解能回路であつても、下位ビツトデ−タの切り捨てなどにより発生する誤差を次の操舵トルクのサンプリングによる操舵補助指令値、或いは電流制御値の再演算の過程において加算して処理するから、演算過程で発生する誤差を小さくすることができ、ＰＷＭ信号処理回路やＡ／Ｄ変換回路の分解能不足が原因で発生するリミツトサイクル振動を低減し、操舵感覚を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による量子化誤差の低減回路を伝達関数で示した回路図。
【図２】量子化誤差の低減回路の伝達特性を説明する図。
【図３】モ−タの電気的特性を説明する図。
【図４】量子化誤差低減回路の出力側にロ−パスフイルタを挿入した場合の伝達特性を説明する図。
【図５】電動パワ−ステアリング装置の構成の概略を説明する図。
【図６】電子制御回路のブロツク図。
【図７】モ−タ駆動回路のブロツク図。
【図８】量子化誤差の低減処理を説明するフロ−チヤ−ト。
【符号の説明】
１００量子化誤差低減回路
１０１操舵補助指令値を演算する演算要素
１０２加算要素
１０３下位ビツトデ−タを切り捨てる演算要素
１０４切り捨てられた下位ビツトデ−タを一時記憶する記憶要素
１０５ゲイン調整要素
１１０ＰＷＭ信号処理回路
１１１モ−タ制御回路
１１２モ−タ

Claims

少なくともステアリングシヤフトに発生する操舵トルクを検出する操舵トルク検出手段と、検出された操舵トルクに基づいて操舵補助指令値を演算する操舵補助指令値演算手段と、前記演算された操舵補助指令値に基づいてモ−タを制御するモ−タ制御手段を備え、操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与える電動パワ−ステアリング装置の制御装置において、
前記操舵補助指令値演算手段は前記モ−タ制御手段よりもビツト数の多いデジタル演算手段から構成され、所定時間毎にサンプリングされた操舵トルクデ−タに基づいて操舵補助指令値を演算して前記モ−タ制御手段に出力すると共に、その際切り捨てられた操舵補助指令値の下位ビツトデ−タを次回にサンプリングされた操舵トルクデ−タに加算して操舵補助指令値を演算すること
を特徴とする電動パワ−ステアリング装置の制御装置。
前記操舵トルクに応じた操舵補助力をステアリング機構に与えるモ−タの電気的時定数が、少なくとも操舵トルクのサンプリング期間の１／２πであることを特徴とする請求項１記載の電動パワ−ステアリング装置の制御装置。
前記操舵補助指令値は、モ−タ電流制御値であることを特徴とする請求項１記載の電動パワ−ステアリング装置の制御装置。